Scienty

Ежегодно увеличивается число операций, связанных с установкой эндопротезов. Традиционные металлические имплантаты, обладая высокой жесткостью, со временем могут вызывать разрушение костной ткани у пациентов, что часто требует проведения повторных хирургических вмешательств. Вместе с тем, протезы, изготовленные из углеродного композита, представляются более многообещающей альтернативой, поскольку при нагрузке в них формируются микротрещины . Имеющиеся методики расчетов не позволяют врачам оценить влияние на общую прочность конструкции, что делает неэффективным широкое внедрение таких материалов в медицину . Специалисты Пермского Политеха создали уникальную в мировом масштабе компьютерную модель, которая позволяет прогнозировать, как микродефекты, возникающие внутри угле-углеродного композита, сказываются на его прочности и ресурсе при эксплуатации.

Статья опубликована в научном журнале «Известия Юго-Западного государственного университета».

Во всём мире миллионы людей используют искусственные суставы — современные устройства, которые заменяют повреждённые ткани и возвращают возможность двигаться без боли. Полная замена сустава на эндопротез, сложную конструкцию, имитирующую естественную анатомию и функции, считается общепринятым методом лечения травм. По данным на 2024 год, объём мирового рынка таких операций оценивался в 7,9 млрд долларов. Ожидается, что к 2034 году этот показатель достигнет 11,4 млрд.

Несмотря на широкое распространение, традиционные металлические имплантаты обладают существенным недостатком: их жёсткость значительно выше, чем у естественной кости. Это вызывает «экранирование напряжений», из-за которого костная ткань, лишенная нормальной нагрузки, начинает разрушаться, а сам протез теряет устойчивость. К тому же, в тканях организма могут скапливаться ионы металла, что приводит к аллергическим реакциям и воспалительным процессам. Все эти факторы ограничивают долговечность имплантата 10-15 годами, что вынуждает, особенно молодых пациентов, подвергаться повторным хирургическим вмешательствам.

В современной медицине все большую роль играют угле-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Ключевым достоинством этих материалов является их способность не оказывать негативного влияния на костную ткань, поскольку их жесткость соответствует жесткости кости и предотвращает ее истончение и резорбцию под воздействием нагрузки. УУКМ обладают биосовместимостью, не вызывают аллергических реакций и коррозии, а также являются рентгенопрозрачными, что позволяет проводить магнитно-резонансную и компьютерную томографию после хирургического вмешательства.

Подобные протезы характеризуются сложной и неоднородной структурой, состоящей из микроскопических кристаллов искусственного углерода, расположенных хаотично. Под воздействием нагрузки, даже небольшой – как, например, при случайном спотыкании – эти частицы могут быть повреждены, что приводит к изменению свойств материала в целом.

Расчет прочности имплантатов обычно основывается на предположении об однородной и безупречной структуре. Это позволяет получить лишь приблизительную оценку поведения конструкции при нагрузке. Но для сложных материалов, таких как угле-углеродные композиты, данное допущение является серьезной ошибкой. Их долговечность и прочность определяются микроскопическими изменениями, происходящими внутри материала: формированием и ростом незначительных дефектов между кристаллами.

Специалисты Пермского Политеха разработали вычислительную модель, с помощью которой можно с высокой точностью определить предел прочности искусственного сустава, изготовленного из углеродного композита, и прогнозировать срок его службы.

Разработка основана на двухуровневом подходе, предполагающем одновременный анализ имплантата как с точки зрения структуры материала, так и с точки зрения целостной конструкции. Такой метод позволяет оценить, как скрытые дефекты влияют на прочность изделия в целом.

На самом начальном, микроскопическом уровне, исследователи создали программный алгоритм, предназначенный для вычисления деформации каждого кристаллика, входящего в углеродный композит. В работе он выполняет ряд важных задач. Прежде всего, он определяет потенциальные опасности для каждой частицы материала, анализируя четыре «критерия» – условия, при которых она может быть разрушена, например, вследствие чрезмерного растяжения или сдвига. Кроме того, алгоритм позволяет оценить объем повреждений: он определяет, какая доля кристалликов уже сломана, какая получила частичные повреждения, а какая сохранила свою целостность.

Второй уровень моделирования рассматривает всю бедренную часть эндопротеза как единый элемент, интегрированный с костью. Этот компонент был выбран, поскольку он испытывает наибольшую механическую нагрузку во время ходьбы, бега и других движений. Кроме того, он наиболее подвержен сложным деформациям, поэтому для обеспечения общей надежности протеза необходимо прогнозировать поведение именно бедренной части.

Чтобы добиться макроскопического уровня, исследователи разработали подробную трехмерную модель с использованием специализированного программного обеспечения. В качестве отправной точки была использована анатомически точная геометрия бедренной кости и эндопротеза. Затем эксперты внесли в модель нагрузку, имитирующую ходьбу, и программа определила, как будет деформироваться вся система и в каких зонах будут возникать максимальные напряжения.

— Процесс моделирования представляет собой циклический процесс, воспроизводящий постепенное накопление повреждений в имплантате. На каждом этапе программа вычисляет деформации всей системы и передает полученные данные в микромодель. Затем она определяет, привели ли возникшие нагрузки к повреждению кристаллической структуры материала. В случае выявления деформаций программа снижает характеристики композитного материала в области обнаруженных дефектов. После этого проводится новый расчет, уже с учетом незначительного ухудшения свойств имплантата. Этот цикл повторяется неоднократно до тех пор, пока напряжение в модели не достигнет предела прочности, — пояснил Егор Разумовский, аспирант кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.

В ходе исследования был получен подробный анализ поэтапного разрушения имплантата. Моделирование показало наличие четырех участков в бедренном компоненте, где зафиксировано значительное скопление повреждений. Это свидетельствует о том, что прочность протеза снижается не одновременно и не равномерно, а вследствие последовательного ослабления отдельных зон.

Для визуализации этого процесса программа создала специальный график, имеющий ступенчатую структуру. На нём отображено снижение жёсткости протеза: при накоплении значительного количества микроповреждений в определённой области показатель резко уменьшается. Следовательно, модель указывает на псевдопластические свойства углеродного композита. Это подразумевает, что материал не разрушается внезапно, а подвергается внутренним повреждениям, перераспределяет приложенную нагрузку и продолжает работать, постепенно теряя жёсткость. Теперь специалисты смогут наблюдать, в каких именно областях и в какой последовательности возникает усталость материала. Это даст возможность перейти к целенаправленному усилению наиболее уязвимых участков и определению прогнозируемого срока службы для различных пациентов.

Следует подчеркнуть, что данное исследование не имеет аналогов в рассматриваемой области. В мировой научной литературе не встречается подобных разработок, в которых столь глубоко и систематически изучается процесс накопления повреждений в эндопротезах посредством моделирования. В связи с этим, основным методом верификации стало сравнение результатов моделирования с фактическими экспериментальными данными, полученными в ходе предыдущих работ. Наиболее важным критерием эффективности оказалось соответствие прогнозируемой картины разрушения. Модель точно указала зоны снижения прочности, которые совпали с обнаруженными дефектами в протезах, подвергшихся испытаниям. Это свидетельствует о том, что предложенная модель, несмотря на свою упрощенность, адекватно воспроизводит основные закономерности разрушения.

Значительным достоинством модели является ее высокая производительность. Традиционное моделирование микроструктуры требует больших вычислительных ресурсов, ограничивая анализ несколькими сотнями или тысячами частиц. Новая программа позволяет обрабатывать выборки, состоящие из миллионов элементов, что обеспечивает более всестороннюю и надежную статистику микроразрушений.

— Соответствие характера деформации, спрогнозированного расчетами, а именно последовательному накоплению повреждений, результатам предыдущих испытаний образцов углерод-углеродного композита, подтверждает, что разработанная модель верно отражает физические аспекты разрушения на всех уровнях — начиная от микроскопических трещин и заканчивая макроскопической потерей жёсткости всей конструкции. В будущем данный инструмент может быть применен инженерами и врачами для виртуального тестирования новых конструкций имплантатов, позволяя прогнозировать их долговечность и определять потенциальные уязвимости на стадии проектирования — по словам Вячеслава Шавшукова, кандидата физико-математических наук, доцента кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.

Разработанная модель способна не только оптимизировать процесс создания протезов, что позволит существенно уменьшить время и затраты на их разработку, но и обеспечить более тщательную оценку безопасности и сертификации, благодаря анализу долгосрочного поведения композитных материалов. Данный подход, сочетающий два уровня, может стать основой для изучения разрушения других многообещающих материалов в условиях экстремальных нагрузок, что в конечном итоге повысит безопасность пациентов и уровень медицинских технологий.

Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ